利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法技术

本发明专利技术提供了一种利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法，在完成压痕试验机械误差测量后，将制备的试样固定住；进行金属或合金试样的压痕试验；将对应的载荷—位移值通过公式换算为真应力—真塑性应变数据点；并进行被测材料的屈服强度换算以及被测材料的抗拉强度估算：本发明专利技术通过利用纳米压痕仪进行金属的力学性能测定，得到金属材料的真应力—真应变曲线惯性、屈服强度以及工程极限拉伸强度。本方法通过利用压痕仪的方法，对被测材料进行自动球压痕试验，将试验过程中的每个加、卸载循环进行全程测绘，避免出现理论化的理想值，且有误差补偿环节，可准确、直接测得被测材料的载荷—位移数据、真应力—真应变曲线、屈服强度以及工程极限拉伸强度。

【技术实现步骤摘要】
利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法
本专利技术涉及一种利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法，属于无损力学实验

技术介绍
社会经济以及飞速发展的科学技术使得人们越来越关注工业生产和设备服役的安全性问题。因此，工业设备的材质检验和寿命评估也成为了人们关注的焦点之一。想要准确地对工业设备进行剩余寿命评估、检验在役设备的性能，掌握材料力学性能的变化情况是必须条件。然而，传统的力学性能测试多数情况下都需要破坏试样，这就意味着传统的力学性能测试方法无法对在役设备进行在线评估，因此，作为一种无损的测试方法，球压痕试验在在役设备的在线评方面发挥着极其重要的作用。如图1、2所示，常用的压痕试验仪包括龙门架1、传感器2、测试头3、球形压头31、夹具4、操作台5、底座6等部分，中国专利授权公告号为CN107860671A的专利公开了一种压痕法测量金属材料屈服强度和应变硬化指数的装置和方法，它通过伺服电机进行载荷的加载，并进行重复的加、卸载过程，当压入深度达到设定的总压痕深度时，停止加载，其得到的载荷—位移曲线由多个加、卸载循环曲线构成，但其每次的卸载过程均是进行部分卸载，无法将每个循环中施加的载荷完全卸除，这对测试的数据显然会带来不小的误差。此外，压痕仪在进行压痕试验的过程中，其自身也会因存在结构变形、结构间隙而产生测量误测，而现在的压痕试验方法中均不含误测补偿环节，目前在国际上还未有压痕试验测试标准，因此这些方法是否能够准确反映被测材料的真实性能也不能确切评判。因此，在测试过程中让每一个环节的测试数据更为真实可靠，杜绝理想化测量显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种测试数据更为真实可靠的利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法，包括如下步骤：步骤1、在完成毛坯取样后，对其表面进行打磨抛光使其满足试样尺寸要求及表面粗糙度要求，即完成金属或合金材料试样的制备；步骤2、将压痕仪的球形测试头拆下，把平底测试头装上，将压痕仪夹具也从操作台上拆下；步骤3、进行压痕试验机械误差测量：3.1在压痕仪控制系统中将压痕仪测试头下压的速度设定为V0；3.2测量过程中需在同一位置进行连续的载荷加载、卸载，一次加载、完全卸载的过程为一个周期，首先在压痕仪控制系统中设定加、卸载周期的个数I，I>1，并且设定第i个周期的施加载荷峰值为Pi，其中i＝1、2、3…I，单位：N；3.3在压痕仪控制系统中控制机械误差测量开始：3.3.1令i＝1，首先进行第一个加、卸载周期；在电机驱动加载下，平底测试头根据设定的下压速度V0逐渐下压，由于平底测试头与压痕仪操作台接触面积大，所以平底测试头不会压入操作台。当平底测试头接触到压痕仪操作台后，压痕仪施加的载荷值从0逐渐变大，直到加载到设定的P1值，此时压痕仪系统记录下P1载荷下对应的传感器位移值λ11。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P1慢慢卸载至0，此时压痕仪系统将记录下0载荷下传感器的位移值λ21；3.3.2令i＝i+1，压痕仪将继续进行第i个加载、卸载周期，压痕仪加载的载荷值再次从0慢慢变大，直到加载到设定的Pi值，此时压痕仪系统将记录下Pi载荷下对应的传感器位移值λ1i。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从Pi再次慢慢卸载至0，此时压痕仪系统将记录下0载荷下传感器的位移值λ2i3.3.3若i<I,则跳转回步骤3.3.2，若i≧I，则继续向下执行步骤3.3.4；3.3.4此时压痕仪系统中所记录的位移值即为压痕仪在对应载荷下整个机械结构的变形量；第I个周期进行完毕后测量结束，压痕仪系统中已记录了λ1i(i＝1、2、3……I)以及λ2i(i＝1、2、3……I)两组数据；步骤4、完成压痕试验机械误差测量后，在压痕仪系统中控制力、位移传感器升起，将平底测试头拆除，将压痕仪测试头装上，将夹具安装在压痕仪操作台上，并且通过夹具将步骤1中制备的试样固定住；步骤5、进行金属或合金试样的压痕试验：5.1下压速度保持不变，依旧在压痕仪控制系统中将压痕仪测试头下压的速度设定为V0；5.2加、卸载周期的个数保持不变，依旧设置为I(I>1)个，以及第i个周期的施加载荷峰值也保持不变，依旧设置为Pi，其中i＝1、2、3…I，单位：N；5.3在压痕仪控制系统中控制压痕试验开始；5.3.1令i＝1，首先进行第一个加、卸载周期：在电机驱动加载下，测试头根据设定的下压速度V0慢慢下压，测试头末端的球形压头垂直压入试样表面；当球形压头接触到金属试样后，压痕仪系统开始以球形压头的位移值作为横坐标，位移值单位：mm，压痕仪施加的载荷值作为纵坐标，载荷值单位：N，在笛卡尔坐标系中进行同步曲线绘制；施加的载荷值从0慢慢变大，直到加载到设定的P1值，此时压痕仪系统将记录下P1载荷下对应的球形压头位移值ht1。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P1慢慢卸载至0，此时压痕仪系统将记录下0载荷下球形压头的位移值hp1；5.3.2令i＝i+1，压痕仪将继续进行第i个加载、卸载周期，压痕仪加载的载荷值再次从0慢慢变大，直到加载到设定的Pi值，此时压痕仪系统将记录下Pi载荷下对应的球形压头位移值hti。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从Pi再次慢慢卸载至0，此时压痕仪系统将记录下0载荷下球形压头的位移值hpi；5.3.3若i<I,则跳转回步骤5.3.2，若i≧I，则继续向下执行步骤5.3.4；5.3.4此时压痕仪系统中生成一张上述压痕试验过程的载荷—位移曲线图，并且记录了Pi，其中i＝1、2、3……I、hti，其中i＝1、2、3……I以及hpi，其中i＝1、2、3……I三组数据，Pi即为第i个周期施加载荷的峰值，hti即为第i个周期的总压入深度，hpi即为第i个周期的残余压痕深度；步骤6、将对应的载荷—位移值通过公式换算为真应力—真塑性应变数据点：6.1在步骤3和步骤5中已得到λ2i、hpi值以及Pi值，根据以下公式：可计算出第i个加载、卸载周期的压痕残余直径dpi，单位：mm；上式中E1为球形压头的弹性模量，单位：Mpa；E2为被测材料的弹性模量，单位：Mpa；D为球形压头的直径，单位：mm；6.2在步骤6.1中已计算得到dpi，通过下式：可计算得到第i个加载、卸载周期的真应变值εpi，上式中D为球形压头直径；6.3在步骤6.1和步骤6.2中已计算得到第i个加载、卸载周期的压痕残余直径dpi和真应变值εpi，通过下面的计算流程可计算并得到N组真应力—真应变σt—εp数据点；6.3.1令i＝0；6.3.2令i＝i+1，计算然后校核如满足条件，记录并保存σti，然后进行步骤6.3.5，如不满足条件，则进行步骤6.3.3；6.3.3计算式中αm为约束因子指数，其对低应变速率敏感材料取值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法，包括如下步骤：/n步骤1、在完成毛坯取样后，对其表面进行打磨抛光使其满足试样尺寸要求及表面粗糙度要求，即完成金属或合金材料试样的制备；/n步骤2、将压痕仪的球形测试头拆下，把平底测试头装上，将压痕仪夹具也从操作台上拆下；/n步骤3、进行压痕试验机械误差测量：/n3.1在压痕仪控制系统中将压痕仪测试头下压的速度设定为V

【技术特征摘要】
1.一种利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法，包括如下步骤：
步骤1、在完成毛坯取样后，对其表面进行打磨抛光使其满足试样尺寸要求及表面粗糙度要求，即完成金属或合金材料试样的制备；
步骤2、将压痕仪的球形测试头拆下，把平底测试头装上，将压痕仪夹具也从操作台上拆下；
步骤3、进行压痕试验机械误差测量：
3.1在压痕仪控制系统中将压痕仪测试头下压的速度设定为V0；
3.2测量过程中需在同一位置进行连续的载荷加载、卸载，一次加载、完全卸载的过程为一个周期，首先在压痕仪控制系统中设定加、卸载周期的个数I，I>1，并且设定第i个周期的施加载荷峰值为Pi，其中i＝1、2、3…I，单位：N；
3.3在压痕仪控制系统中控制机械误差测量开始：
3.3.1令i＝1，首先进行第一个加、卸载周期；在电机驱动加载下，平底测试头根据设定的下压速度V0逐渐下压，由于平底测试头与压痕仪操作台接触面积大，所以平底测试头不会压入操作台。当平底测试头接触到压痕仪操作台后，压痕仪施加的载荷值从0逐渐变大，直到加载到设定的P1值，此时压痕仪系统记录下P1载荷下对应的传感器位移值λ11。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P1慢慢卸载至0，此时压痕仪系统将记录下0载荷下传感器的位移值λ21；
3.3.2令i＝i+1，压痕仪将继续进行第i个加载、卸载周期，压痕仪加载的载荷值再次从0慢慢变大，直到加载到设定的Pi值，此时压痕仪系统将记录下Pi载荷下对应的传感器位移值λ1i。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从Pi再次慢慢卸载至0，此时压痕仪系统将记录下0载荷下传感器的位移值λ2i
3.3.3若i<I,则跳转回步骤3.3.2，若i≧I，则继续向下执行步骤3.3.4；
3.3.4此时压痕仪系统中所记录的位移值即为压痕仪在对应载荷下整个机械结构的变形量；第I个周期进行完毕后测量结束，压痕仪系统中已记录了λ1i(i＝1、2、3……I)以及λ2i(i＝1、2、3……I)两组数据；
步骤4、完成压痕试验机械误差测量后，在压痕仪系统中控制力、位移传感器升起，将平底测试头拆除，将压痕仪测试头装上，将夹具安装在压痕仪操作台上，并且通过夹具将步骤1中制备的试样固定住；
步骤5、进行金属或合金试样的压痕试验：
5.1下压速度保持不变，依旧在压痕仪控制系统中将压痕仪测试头下压的速度设定为V0；
5.2加、卸载周期的个数保持不变，依旧设置为I(I>1)个，以及第i个周期的施加载荷峰值也保持不变，依旧设置为Pi，其中i＝1、2、3…I，单位：N；
5.3在压痕仪控制系统中控制压痕试验开始；
5.3.1令i＝1，首先进行第一个加、卸载周期：在电机驱动加载下，测试头根据设定的下压速度V0慢慢下压，测试头末端的球形压头垂直压入试样表面；当球形压头接触到金属试样后，压痕仪系统开始以球形压头的位移值作为横坐标，位移值单位：mm，压痕仪施加的载荷值作为纵坐标，载荷值单位：N，在笛卡尔坐标系中进行同步曲线绘制；施加的载荷值从0慢慢变大，直到加载到设定的P1值，此时压痕仪系统将记录下P1载荷下对应的球形压头位移值ht1。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P1慢慢卸载至0，此时压痕仪系统将记录下0载荷下球形压头的位移值hp1；
5.3.2令i＝i+1，压痕仪将继续进行第i个加载、卸载周期，压痕仪加载的载荷值再次从0慢慢变大，直到加载到设定的Pi值，此时压痕仪系统将记录下Pi载荷下对应的球形压头位移值hti。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从Pi再次慢慢卸载至0，此时压痕仪系统将记录下0载荷下球形压头的位移值hpi；
5.3.3若i<I,则跳转回步骤5.3.2，若i≧I，则继续向下执行步骤5.3.4；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李存军，王海荣，厉梁，唐文献，刘康，苏世杰，邹银华，石岳林，翁平儿，
申请(专利权)人：舟山市质量技术监督检测研究院，
类型：发明
国别省市：浙江;33